霍克锂电池采用多种介电流体静态单相浸没冷却的电池模块热性能与温度均匀性研究
电池热管理系统（BTMS）对保障电动汽车（EV）电池的安全性、性能稳定性及使用寿命具有关键作用。在各种冷却方案中，静态单相浸没式冷却因其结构简单且具备无需主动循环的被动运行潜力而受到关注。本研究通过实验评估了浸没于三种介电流体（去离子水、RT22HC及矿物油）中的圆柱形电池模块的热性能与电池间温度均匀性。在三种配置条件下对24单体电池模拟器施加10至50瓦的热负荷测试：单独浸没、带翅片热管的浸没、以及浸没式热管结合强制对流方案。性能评估指标包括最高温度、冷却效能及温度均匀性系数（TUC）。当热负荷为50瓦时，去离子水展现出最高冷却效能（34.22%），而RT22HC则表现出更优的温度均匀性（TUC≈0.010）。无量纲分析表明，去离子水与RT22HC在相似的瑞利数区间（∼10<sup>6</sup>）内运行。7然而不同的普朗特数主导着射流结构和胞间热量重新分布。这些结果表明流体性能层级受瑞利-普朗特体系而非单一热物理性质控制。该发现为静态单相浸没冷却提供了基于标度律的物理解释，并支持其作为中等规模电动汽车应用中低复杂度电池热管理系统的潜力。
引言
电动汽车(EVs)正成为全球减少碳排放和降低对化石燃料依赖的主要解决方案之一。作为核心储能单元，锂离子电池(LIBs)的性能直接决定了电动汽车的能效和运行安全性。锂离子电池(LIBs)具有多项优势，包括高能量密度和高功率转换效率[1]。然而与内燃机不同，锂离子电池本质上容易随时间推移出现性能衰减主要表现为容量衰减和加速老化。这些衰减机制受工作温度影响显著，不受控的热条件会大幅缩短电池寿命并危及安全性[2][3]。
锂离子电池的最佳工作温度通常为25-40°C，电芯间理想温差不超过5°C[4]。在高功率充放电条件下，散热显著增加。因此电池热管理系统(BTMS)是保障最佳性能和长期运行安全的关键要素[5][6]。
目前已发展出多种电池热管理系统（BTMS）方案。空气冷却系统作为最简单的方法，广泛应用于早期电动汽车。该系统具有成本低、维护简便的优势，但传热效率较低，且难以维持电芯间的温度均匀性[7][8]。相变材料（PCM）利用潜热吸收多余热能，但其存在导热性受限和潜在材料泄漏等问题[9][10][11]。液态冷却系统因具有较高的比热容和传热系数而展现出更大潜力[12][13][14]。
液体冷却系统主要分为两种方法：间接液体冷却和直接/浸没式冷却。间接冷却系统采用冷却通道或冷却板作为流体与电池表面之间的中介介质。尽管这种方法常用于商用电动汽车电池，但它在几何设计、接触热阻和泵能耗方面仍面临挑战[15][16]。
相比之下，浸没式冷却技术通过将电池直接浸入介电流体中，提供了一种更高效的解决方案。这种技术可实现液体与电池表面的完全接触，从而实现更均匀的热量分布和较低的热阻[1], [17]。根据工作流体相态（单相或两相）和流动模式（静态或循环），浸没式冷却可进一步细分[18], [19]。两相系统依靠蒸发吸收电池产生的热量，沸腾过程可显著提升温度均匀性与传热效率[20], [21], [22]。然而，该系统的复杂性也显著增加，因其需要重新设计冷凝装置、压力调节系统和流体循环控制系统[23]。蒸发循环可能导致材料性能退化，以及系统运行成本问题也值得关注[24]。
近期研究趋势正日益聚焦于混合型与结构增强型电池热管理系统（BTMS）配置的探索。结合翅片拓扑结构与填充取向的相变材料-液体混合系统研究表明，浮力驱动的流动模式显著影响热均匀性与峰值温度抑制效果[25]。另有研究引入三元纳米颗粒增强型冷却剂与梯度多孔介质，以提升强制对流条件下的有效导热率及胞间均匀性[26]。与此同时，针对微重力环境设计的被动热控策略研究了相变材料（PCMs）、金属泡沫、散热翅片与纳米颗粒的组合应用，以弥补浮力驱动对流缺失的问题[27]。尽管这些方法在热管理方面展现出可量化的改进效果，但其通常依赖于受限几何结构、主动冷却剂循环或精密设计的复合介质，导致结构复杂性和系统质量显著增加。
单相浸没式冷却系统在效率与系统稳定性方面存在妥协。该系统通过泵持续循环流体以实现更高效的热量移除。即使在高放电倍率条件下，这种方法仍能将最高温度维持在安全范围内[4][28]。但循环系统的引入导致重量、体积及功耗增加，与电动汽车小型化及能效需求相矛盾[15][29]。
静态单相浸没冷却技术因其设计简洁性及在中型电池系统中的潜在应用价值而受到关注。该系统中电池浸没于静止流体中，无需主动循环装置，主要依赖自然对流作为热传递机制。其优势包括低成本、泄漏风险极低，且无需泵或流量控制装置[7][17][30]。然而，该系统的热性能仍需深入评估，特别是在大电流放电场景及环境温度波动的条件下。
浸没式冷却系统的性能已在众多研究中得到考察，但多数集中于两相流或循环方法[1][4][21]。Roe等[1]在其综述中指出，几乎所有浸没式冷却实验研究均采用泵体维持恒定流速。Jithin与Rajesh[4]通过模拟证实，浸没冷却效率高度依赖于流体导热系数与流动速度。Liu等[17]专门研究了圆柱形电池模块的静态单相系统，结果表明在3C放电条件下能有效将峰值温度抑制在40°C以下。然而针对静态单相浸没式冷却的研究仍然有限且不成体系。Liu等学者论证了圆柱电池模块静态浸没系统的可行性，但该研究仅采用单一介电流体（3M Novec），且未评估流体热物理性质对冷却效能及单体间温度均匀性的比较性影响。此外，如Wang等[31]所述，既往研究多集中于基于主动循环或两相机制的系统，导致纯静态单相浸没系统的热行为研究——特别是从系统设计角度——仍存在明显空白。
为填补这一研究空白，本研究在无泵静态单相浸没冷却系统中，结合翅片热管的混合被动强化与受控强制对流技术，对多种介电流体进行了系统性实验比较。与以往研究通常仅关注峰值温度降低不同，本研究创新性地采用温度均匀性系数（TUC）量化了电池单体间的温度一致性，从而直接评估热均匀性——这一在电池热管理系统（BTMS）设计中至关重要却常被忽视的参数。通过明确将流体热物理性质（粘度、导热系数和热容）与依赖于系统构型的热传递机制相关联，该研究结果为中低复杂度、高能效电池热管理系统（BTMS）架构提供了具有实践指导意义且经实验验证的设计思路，同时确立了静态浸没式冷却作为中规模电动汽车应用中循环式冷却系统可行替代方案的技术定位。
为填补这一研究空白，本研究采用多种介电流体（去离子水、RT22HC和矿物油）与混合被动式结构（热管与强制对流）相结合的静态单相浸没冷却技术，开展了对比实验研究。通过量化不同发热功率下的冷却效能、电池单体间温度均匀性及配置协同效应，本研究为电动汽车应用领域低复杂度、高能效电池热管理系统（BTMS）的实际可行性提供了新见解。本研究中，浸没冷却系统在静态条件下，不存在任何主动流体循环，仅依靠自然对流进行传热。需注意的是，在所有配置中浸没流体始终保持完全静止状态。强制对流仅施加于热管冷凝段，且不会在浸没域内引发任何流体循环。
